專利名稱：能修除光學(xué)元件局部誤差的離子束極軸加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)元件的離子束加工領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)元件的離子束極軸加工方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)鏡面離子束加工方法利用離子濺射效應(yīng)從原子尺度去除材料，利用近高斯束流入射
工件形成近高斯分布的去除函數(shù)，再基于光學(xué)鏡面成型(ccos)原理對(duì)鏡面誤差進(jìn)行確定性
修正，具有高精度、高確定性、非接觸無(wú)磨損和無(wú)邊緣效應(yīng)等特征。但離子?xùn)c加工材料去除 原理決定了整個(gè)加工過(guò)程必須在真空環(huán)境中完成，此決定了離子束加工系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜，使用
維護(hù)費(fèi)用高。
離子束加工方法一般采用xy線性掃描方式對(duì)鏡面任意形態(tài)誤差進(jìn)行修除，從而加工運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)行程必須與鏡面尺度相當(dāng)，加工大鏡面必須構(gòu)建大系統(tǒng)。也可以利用極軸運(yùn)動(dòng)方 式修除鏡面誤差，同時(shí)將運(yùn)動(dòng)行程降低為線性運(yùn)動(dòng)的一半。現(xiàn)有的極軸運(yùn)動(dòng)方式僅僅能夠修 除鏡面的M轉(zhuǎn)對(duì)稱誤差，這限制了其在工藝中的應(yīng)用，不能夠從根本上降低運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的要求。 現(xiàn)有的極軸運(yùn)動(dòng)加工方法之所以不能夠修除鏡面的局部誤差源于該類方法首先就假設(shè)鏡面的 誤差具有回轉(zhuǎn)對(duì)稱特性，且加工時(shí)鏡面的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和離子源的線性運(yùn)動(dòng)不能夠反映鏡面的局 部特征。所以要利用極軸運(yùn)動(dòng)修除鏡面任意形態(tài)的誤差必須拋棄原始假設(shè)，對(duì)加工系統(tǒng)的運(yùn) 動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)以便能夠反映鏡面局部特性。
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是拋棄現(xiàn)有極軸加工方式建模過(guò)程中對(duì)鏡面僅僅具有回轉(zhuǎn)對(duì) 稱誤差的假設(shè)，建立能夠反映光學(xué)鏡面真實(shí)誤差的模型，同時(shí)在加工工藝中控制離子束加工 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度和路徑規(guī)劃方式以反映光學(xué)鏡面的局部特性，得到一種能修除光學(xué)元件局部 誤差的離子束極軸加工方法。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出技術(shù)方案為種能修除光學(xué)元件局部誤差的離子束極軸加 丁方法，包括以下歩驟
(1) 實(shí)驗(yàn)獲取去除函數(shù)應(yīng)用修形工藝過(guò)程進(jìn)行去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)獲取去除函數(shù)，記為&
(2) 去除函數(shù)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理首先利用高斯函數(shù)對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行擬合分析以確定去除
函數(shù)的最優(yōu)回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心，確定最優(yōu)回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心的計(jì)算公式為

發(fā)明內(nèi)容
4式(1)中，J為擬合后去除函數(shù)的寬度參數(shù)(去除函數(shù)的寬度為6a)， ^為擬合后去除 函數(shù)峰值去除率，&、 ^為去除函數(shù)偏心參數(shù)，JC， ^為位置坐標(biāo)分量；
然后以最優(yōu)回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心作為去除函數(shù)中心對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理，以獲取建模 用去除函數(shù)A (p)，其矩陣形式記為及(進(jìn)行離散后得到)，回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理的計(jì)算式為
,)=^J^'(W), (2)
式(2)中，/)為極軸坐標(biāo)的半徑，伊為極軸坐標(biāo)的角度，W'-i^〔jc-^，y-^〕；
(3) 獲取面形誤差函數(shù)通過(guò)波面干涉儀測(cè)量待加工元件全口徑內(nèi)的面形誤差數(shù)據(jù)，并 進(jìn)行消除趨勢(shì)、定心和邊緣確定等處理，測(cè)量結(jié)果記為E;
(4) 建立成型模型和計(jì)算駐留時(shí)間密度分布通過(guò)以上對(duì)去除函數(shù)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理，忽 略去除函數(shù)的非回轉(zhuǎn)對(duì)稱特性對(duì)成型的影響，以將成型過(guò)程線性化，根據(jù)計(jì)算機(jī)控制光學(xué)成
型(ccos)原理建立建模用去除函數(shù)矩陣及、面形誤差矩陣五和駐留時(shí)間矩陣r之間的關(guān)
系為
￡ = / r (3)
式(3)中，O表示巻積運(yùn)算；
根據(jù)獲取的建模用去除函數(shù)W和待加工光學(xué)鏡面的面形誤差函數(shù)E，利用現(xiàn)有的諸如脈
沖迭代方法或者貝葉斯(Bayesian)迭代方法求解式(3)中的駐留時(shí)間矩陣r，并將直角坐
標(biāo)系中的駐留時(shí)間r Oc,"轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)中得到極坐標(biāo)系中的駐留時(shí)間r (P");
(5) 阿基米德路徑中的駐留時(shí)間求解選取合適的螺距^ a大于o且小于去除函數(shù)寬
度的1/6)生成阿基米德螺旋路徑(如圖1所示)，阿基米德路徑極軸半徑p與極角0之間的 關(guān)系為
yO = /W (4)
根據(jù)極角6的離散間隔必(r附x必應(yīng)小于去除函數(shù)寬度的六分之一，其中nw為待加工 元件的半徑)計(jì)算待加工元件的鏡面上每一個(gè)離散扇形區(qū)域駐留時(shí)間f 根據(jù)計(jì)算出的
區(qū)域駐留時(shí)間r 再計(jì)算出任意環(huán)帶/上的環(huán)帶總駐留時(shí)間r,， / 和r,的計(jì)算公式
分別為
<formula>formula see original document page 5</formula>) (6)
(6) 螺距的調(diào)整判斷任意環(huán)帶總駐留時(shí)間r,是否小于離子束加工系統(tǒng)以最大旋轉(zhuǎn)速
度運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間Tc，如果K小于rc，則增大此環(huán)帶的螺距fc直至該環(huán)帶總駐留時(shí)間等于或大于7;;如果r,大于或等于rc，則直接轉(zhuǎn)入步驟(7);
(7) 離子束的數(shù)控修形加工計(jì)算離子束修形加工中鏡面上任意離散扇形區(qū)域處鏡面回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和離子源線性運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)速度V (p")，計(jì)算式為
禱^R ( )
根據(jù)扇形阿基米德螺線離散信息/>=秘以及各離散扇形區(qū)域的合成運(yùn)動(dòng)速度^ (A 0)生 成控制光學(xué)元件回轉(zhuǎn)和離子源線性運(yùn)動(dòng)的數(shù)控代碼，再進(jìn)行離子束的數(shù)控修形加工；
(8) 對(duì)數(shù)控加工后的元件再次進(jìn)行面形誤差測(cè)量，記為￡7，若面形精度^不滿足精度 要求則轉(zhuǎn)至步驟(4)并以^代替E計(jì)算駐留時(shí)間，重復(fù)步驟(4) ~ (7)直至滿足待加工元 件的面形精度要求。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)離子束加工中去除函數(shù)具有近高斯分布的特 性，在尋找去除函數(shù)最優(yōu)回轉(zhuǎn)中心的基礎(chǔ)上，對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)對(duì)稱化處理，將極軸加工 方式近似用線性巻積模型表達(dá)，進(jìn)而用常規(guī)的線性掃描法解決駐留時(shí)間密度函數(shù)的確定問(wèn)題。 通過(guò)引入反映面形誤差和駐留時(shí)間二維特性的變速度實(shí)現(xiàn)方法，從而克服傳統(tǒng)極軸加工方式 不能對(duì)鏡面的非回轉(zhuǎn)對(duì)稱誤差進(jìn)行誤差修正的缺陷。此外，本發(fā)明還通過(guò)改變加工路徑中的 螺距策略，既有效解決了駐留時(shí)間值很小或者極軸半徑很小時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大問(wèn)題，又 不增大總的加工時(shí)間，保證了加工效率。
本發(fā)明工藝?yán)酶叻€(wěn)定性和確定性的離子束加工方法及分極軸加工方式，在現(xiàn)有較小的 加工系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)元件鏡面的加工，降低了鏡面尺寸對(duì)加工系統(tǒng)尺寸的要求，以 充分挖掘現(xiàn)有光學(xué)加工設(shè)備的加工潛力，節(jié)約加工成本，對(duì)光學(xué)加工設(shè)備的性能提升具有重 要意義。


圖1為本發(fā)明的阿基米德螺線離散示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中去除函數(shù)測(cè)量結(jié)果分布圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中經(jīng)回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理后的去除函數(shù)分布圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中待加工鏡面的初始面形誤差數(shù)據(jù)圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的駐留時(shí)間密度函數(shù)分布圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中鏡面修形后的面形誤差數(shù)據(jù)圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中鏡面修形前的加工預(yù)測(cè)面形圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例
6本實(shí)施例的離子束拋光工藝在一臺(tái)離子束拋光設(shè)備(可選用KDIFS-500型)上進(jìn)行，工 藝參數(shù)設(shè)置為工作氣體為氬氣，工作真空0.8x10—2Pa，離子能量1100eV，束電流25mA。 被拋光的試驗(yàn)工件為直徑100mm的普通微晶玻璃。
通過(guò)下述方法歩驟對(duì)上述的微晶玻璃進(jìn)行離子束拋光
1、 確定去除函數(shù)應(yīng)用上述離子束拋光工藝過(guò)程進(jìn)行去除函數(shù)試驗(yàn)，獲取的去除函數(shù)記
為A (XjO，其分布如圖2所示；
2、 去除函數(shù)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理根據(jù)歩驟1中獲取的去除函數(shù)，對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行尋找最優(yōu)
回轉(zhuǎn)中心以及回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理，回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理中各項(xiàng)參數(shù)的值為^4=0.0056 nm/s， <r=5.9mm， &c =0.5mm、々=0.34mm，回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理后的W的分布如圖3所示；
3、 利用波面干涉儀測(cè)量待加工鏡面的初始面形誤差E，其分布如圖4所示；
4、 根據(jù)處理后的去除函數(shù)矩陣/ 和初始面形誤差矩陣E，利用Bayesian迭代算法計(jì)算 加丁所用駐留時(shí)間密度函數(shù)，并轉(zhuǎn)換到鏡面的極坐標(biāo)中得到T (p")，駐留時(shí)間密度函數(shù)分布 如圖5所示；
5、 阿基米德路徑中的駐留時(shí)間求解選取[7,ll)mm、 [ll,17)mm和[17,oo)mm環(huán)帶內(nèi)的螺 距分別為4mm、 2mm和lmm，選取極角離散間隔為1。對(duì)鏡面進(jìn)行阿基米德螺線離散，計(jì)算 每一離散扇形區(qū)域的駐留時(shí)間/和環(huán)帶駐留時(shí)間r,，分析表明，T,均大于以100/9轉(zhuǎn)每秒最大
轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間i; (rc=5.4s);
6、 計(jì)算離子束加工中鏡面上任意離散扇形區(qū)域處鏡面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和離子源線性運(yùn)動(dòng)的合成
運(yùn)動(dòng)速度v，結(jié)合扇形離散信息生成數(shù)控代碼，輸入到上述的離子束拋光設(shè)備中，再對(duì)鏡面
進(jìn)行離子束數(shù)控修形加工；
7、 對(duì)上述數(shù)控加工后的元件再次進(jìn)行面形誤差測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，均方根精度 為0.009波長(zhǎng)(一個(gè)波長(zhǎng)為632.8nm)，滿足本實(shí)施例0.01波長(zhǎng)的均方根精度要求。圖7為加 工預(yù)測(cè)結(jié)果分布圖(利用公式五-及⑧r進(jìn)行預(yù)測(cè))，兩者在面形結(jié)構(gòu)上基本吻合。
上述加工結(jié)果表明，離子束螺旋路徑加工方法具有與全口徑掃描加工一樣的面形誤差修 形能力，且加工成本由于掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍減小(只有全口徑掃描的1/2)而大大縮減。 本發(fā)明所提出螺旋路徑加工方法由于保持了面形誤差和駐留時(shí)間的二維特征，從而克服傳統(tǒng) 極軸方式不能對(duì)鏡面的非回轉(zhuǎn)對(duì)稱誤差進(jìn)行誤差修正的缺陷。極軸加工與普通的全口徑加工 一樣是一種高效率、高確定性的加工方法，能夠?qū)︾R面進(jìn)行精確修形，同時(shí)可以節(jié)約加工成 本。
權(quán)利要求
1、一種能修除光學(xué)元件局部誤差的離子束極軸加工方法，包括以下步驟(1)實(shí)驗(yàn)獲取去除函數(shù)應(yīng)用修形工藝過(guò)程進(jìn)行去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)獲取去除函數(shù)，記為Rc(x，y)；(2)去除函數(shù)的回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理首先利用高斯函數(shù)對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行擬合分析以確定去除函數(shù)的最優(yōu)回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心，確定最優(yōu)回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心的表達(dá)式為式(1)中，σ為擬合后去除函數(shù)的寬度參數(shù)，A為擬合后去除函數(shù)峰值去除率，δx、δy為去除函數(shù)偏心參數(shù)，x，y為位置坐標(biāo)分量；然后以最優(yōu)回轉(zhuǎn)對(duì)稱中心作為去除函數(shù)中心對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理，以獲取建模用去除函數(shù)R(ρ)，其矩陣形式記為R，回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理的計(jì)算式為式(2)中，ρ為極軸的半徑，θ′為極軸的角度，(3)獲取面形誤差函數(shù)通過(guò)波面干涉儀測(cè)量待加工元件全口徑內(nèi)的面形誤差數(shù)據(jù)，并進(jìn)行消除趨勢(shì)、定心和邊緣確定處理，測(cè)量結(jié)果記為E；(4)建立成型模型和計(jì)算駐留時(shí)間密度分布根據(jù)計(jì)算機(jī)控制光學(xué)成型原理建立建模用去除函數(shù)矩陣R、面形誤差矩陣E和駐留時(shí)間矩陣T之間的關(guān)系為式(3)中，表示卷積運(yùn)算；利用迭代求解方法求解式(3)中的駐留時(shí)間矩陣T，并將直角坐標(biāo)系中的駐留時(shí)間T(x，y)轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)中得到極坐標(biāo)系中的駐留時(shí)間T(ρ，θ)；(5)阿基米德路徑中的駐留時(shí)間求解選取螺距k生成阿基米德螺旋路徑，阿基米德路徑極軸半徑ρ與極角θ之間的關(guān)系為ρ＝kθ (4)根據(jù)極角θ的離散間隔dθ計(jì)算待加工元件的鏡面上每一個(gè)離散扇形區(qū)域駐留時(shí)間t(ρ，θ)，根據(jù)計(jì)算出的區(qū)域駐留時(shí)間t(ρ，θ)再計(jì)算出任意環(huán)帶i上的環(huán)帶總駐留時(shí)間Ti，t(ρ，θ)和Ti的計(jì)算公式分別為t(ρ，θ)＝T(ρ，θ)ρkdθ (5)(6)螺距的調(diào)整判斷任意環(huán)帶總駐留時(shí)間Ti是否小于離子束加工系統(tǒng)以最大旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間Tc，如果Ti小于Tc，則增大此環(huán)帶的螺距k直至該環(huán)帶總駐留時(shí)間等于或大于Tc；如果Ti大于或等于Tc，則直接轉(zhuǎn)入步驟(7)；(7)離子束的數(shù)控修形加工計(jì)算離子束修形加工中鏡面上任意離散扇形區(qū)域處鏡面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和離子源線性運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)速度v(ρ，θ)，計(jì)算式為根據(jù)扇形阿基米德螺線離散信息ρ＝kθ以及各離散扇形區(qū)域的合成運(yùn)動(dòng)速度v(ρ，θ)生成控制光學(xué)元件回轉(zhuǎn)和離子源線性運(yùn)動(dòng)的數(shù)控代碼，再進(jìn)行離子束的數(shù)控修形加工；(8)對(duì)數(shù)控加工后的元件再次進(jìn)行面形誤差測(cè)量，記為E′，若面形精度E′不滿足精度要求則轉(zhuǎn)至步驟(4)并以E′代替E計(jì)算駐留時(shí)間，重復(fù)步驟(4)～(7)直至滿足待加工元件的面形精度要求。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于所述駐留時(shí)間矩陣T的迭代求解方法為 脈沖迭代方法或者貝葉斯迭代方法。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于所述極角0的離散間隔必滿足 小于建模用去除函數(shù)及寬度的六分之一，其中rm為待加工元件的半徑。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于所述螺距A大于0且小于去除函數(shù)及寬 度的六分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種能修除光學(xué)元件局部誤差的離子束極軸加工方法，包括以下步驟首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取去除函數(shù)，然后對(duì)去除函數(shù)進(jìn)行回轉(zhuǎn)對(duì)稱處理，再利用波面干涉儀獲取元件的面形誤差函數(shù)，建立成型模型并計(jì)算駐留時(shí)間的密度分布，在阿基米德路徑中求解駐留時(shí)間，然后視情況調(diào)整螺距，并根據(jù)扇形阿基米德螺線離散信息以及各離散扇形區(qū)域的合成運(yùn)動(dòng)速度生成數(shù)控代碼，進(jìn)行第一次數(shù)控修形加工，最后視情況重復(fù)一次以上的上述加工步驟直至滿足工件的精度要求。本發(fā)明的加工方法降低了鏡面尺寸對(duì)加工系統(tǒng)尺寸的要求，節(jié)約了加工成本，克服了傳統(tǒng)極軸加工方式不能對(duì)鏡面的非回轉(zhuǎn)對(duì)稱誤差進(jìn)行誤差修正的缺陷，保證了加工效率。
文檔編號(hào)C03C23/00GK101456681SQ200910042429
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者林 周, 戴一帆, 李圣怡, 焦長(zhǎng)君, 解旭輝, 谷文華, 鄭子文 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)